无线供电技术方案

一 研究技术背景 无线输电技术 是一种新型的电能传输技术 它涉及电源技术 无线电磁波技术 电池充电技术等 属于世界电能传输的前沿领域 无线输电即利用无线电磁波或变化电磁场进行电能的无线传输 这 一技术不受空间限制 能够克服有限输电方式各种弊端 不仅在工 业场地机器人 深水勘探 核能反应堆调试 油田矿井 航空航天 电动汽车充电站 无线感知网络等领域具有重要的应用价值 又如 无绳家用电器 植入医疗器械充电等民用领域也具有极大应用价值 和发展空间 在庆祝中国科协成立五十周年学术活动中 无线输电 技术被评为 十项引领未来的科学技术 之一 无线输电的提出最早要追溯到一百年前的尼古拉特斯拉 他被 称为开启电与磁之门的人 他是现代电子工程奠基人 并发起了第 二次工业革命 他不仅在电磁学和工程学上具有很高的成就 而且 也被认为对弹道学 机器人 资讯科学 核子物理学和理论物理学 各种领域都有贡献 包括我们今天使用的互联网 也是其贡献之一 1889 年尼古拉特斯拉发明了 无线输电方法 于是他在美国 的科罗拉多泉建设无线输电实验室研宄及开发此项 无线输电 技 术 即将普通的低频至高压电流转化为 高频电流 然后再经由空 气作为传送媒介来输送电能 此项 无线传电 技术不单单省却了 输电电缆的成本 还可以免去输电时因电阻所致的电能损耗 经过 八个月的研究后 特斯拉决定在长岛 试建首座名为 特斯拉线圈 的电力发射塔 当时他建造了一 巨大的特斯拉线圈 搭建在直径为英尺 高为英尺的发射塔上 试 验中他把频率为发射功率为的电能输送给特斯拉线圈上进行发射 天线塔顶周围的射频电压高达 特斯拉试图把电量输送到世界各地 定向为一些孤立地点提供照明供电 但是由于特斯拉的无线输电实 验耗资巨大 并且其方案并没有解决电能定向传送这一关键问题 在后期美国安全安全部也对此项目进行干涉 最终特斯拉的无线输 电方案没有成功实现 历经一百多年的空白 今天的无线领域 电磁微波技术已经完 美的实现数据信号的无线传输 但在应用于能量传输方面还未有长 足的进展 其中最主要的问题是全向福射所导致的能量过度散失 2007 年 国外学者对于利用共振原理来提高处在非福射场中的 两个物体间能量的传输效率进行了可行性分析结论表明有着相同共 振频率的两个物体可以更加高效的进行能量传输 即相比没有发生 共振的物体 能量散失损耗更低 在经典的共振工程应用中 如声 波系统 电磁场系统 核子系统 普遍存在一个的 强辛禹合 的 现象 如果我们能够使无线输电系统达到此状态 能量的传输效率 将会非常高 即使相隔一段距离也可以实现中高频的能量传输 同 时不论周围空间布局如何变换 所建立的能量共振传输通道都会使 无线输电系统具有相对较好的安全性和稳定性 本项目正以此为基础对无线输电技术进一步的分析与研究 本 项目所研宄的磁耦合共振型无线供电系统正是基于此建立的 此系 统是由美国 MIT 在 2007 年提出的 并把实验结果发表在 Science 杂志上 与传统的感应式与微波式无线输电系统不同 磁戰合共振无线输电系统利用共振的原理大幅提高了无线传输效率 实现了高效的中距离无线电能传输 本项目主要研究此系统电磁场近场范围内谐振模型 系统传输 模型的特性与系统共振频率的准确计算方法 磁耦合共振无线输电 系统的优点是能量发射是非福射的 相对于电磁感应式无线输电系 统 此系统减少了空间能量散失 无负载情况时 发射端仅消耗较 小自身发热损耗和空间福射损耗 当有负载进入高频电磁场范围时 建立共振能量传输通道进行能量传输 此系统以空气为传输媒介 工作是仅在具有相同的共振频率的发射接收设备间进行能量的传输 因此具有很好的安全性 此系统还有良好的穿透性 不受空间障碍 物干扰 可穿透墙体实现隔墙供电 与磁感应式无线输电系统相比 传输距离提高了数百倍 相比微波式无线输电系统功率可大幅提升 在实验中发现根据发射接收线圈的特性 选择最佳的工作频率 使 系统工作在 强耦合 状态 系统的传输效率可以达到 75 以上 二 主要技术指标 1 供电输出电压 5 5V 6V 2 供电距离大于 300mm 3 供电电流大于 200mA 可隔墙输电 三 系统方案 一个实际的谐振式无线能量传输系统 如图所示 通常有以下 几个模块组成 工频交流电源 工频整流模块 高频逆变模块 发 射线圈 接收线圈 高频整流模块 系统控制器模块 图 1 系统框图 系统搭建完成后 系统的工作流程如图 2 所示 具体而言 市 电首先通过整流模块进行整流 得到稳定的直流电 直流电经过高 频逆变 加到发射线圈之上 经过谐振式强磁耦合传输到了接收线 圈 接收线圈上的电能再经过高频整流以及后续调理电路加到了负 载上 系统在工作的时候通过检测发射线圈上的电流信号 来判断 系统的工作状态 以此来调整逆变电路的控制信号 以达到稳定系 统输出的目的 图 2 系统工作流图 1 逆变部分设计 1 逆变电路拓扑 高频逆变电路是无线能量传输技术中非常重要的组成部分 其 设计将很大程度上影响系统工作的稳定性和高效性 目前常见的逆 变电路有自激式 正激 反激 桥式等 A 正激式逆变电路 正激式逆变电路是一种简单 经济的逆变方案 图 3 中 初级 线圈通过一个靠近低压侧的 N 沟道 MOSFET 管来实现发射线圈的逆 变 由于 LC 串联谐振时 等效阻抗为零 LC 并联谐振时 等效阻 抗为无穷大 所以在正激式逆变拓扑中 并联谐振更为适合 图 3 正激式逆变电路 正激式逆变电路工作时 回路中会激起很大的冲击电流和冲击 电压 因此对于开关管和直流电供电电源的要求较高 另外 由于 激起的电压波形中含有较多高次谐波分量 而这些分量无法通过谐 振渠道进行释放 故而会以热的形式在回路中耗散 所以这种拓扑 的效率相对较低 B 半桥式逆变电路 相对正激式变换电路 桥式逆变电路输出功率较大 对于器件 要求相对较低 而半桥逆变和全桥逆变相比 输出功率较低 但其 使用的器件数量相对较少 因而控制电路较为简单 能够提高系统 的稳定性和可靠性 是一种常用的折中方案 图 4 半桥式逆变电路 本项目将采用半桥式逆变电路 下面将具体分析一下其工作原 理 为电路工作时 上下两个桥臂 MOSFET 1Q 2Q 的驱动电压 为使得半桥逆变正常工作 1Q 2Q 交替导通 其导通时间间隔即 所谓的 死区时间 如图中 t1 t2 随着开关管的上下配合动作 在 A 点和地之间得到的电压波形即为一个和半桥上臂的驱动波形同 步的方波 这个方波电源信号加在 LC 谐振电路上后 在电感上就 得到了一个正弦波形 图 5 半桥式逆变电路工作波形示意图 2 开关管及其驱动电路设计 在本设计中开关管的驱动电路方案选用的是 TPS28225 该芯 片是 TI 公司的一款专用于 N 沟道 MOSFET 高速半桥驱动的芯片 该方案允许的 MOSFET 栅极驱动电压范围为 4 5V 至 8 8V 并具有 14ns 的自适应死区时间控制功能 另外 该芯片的最高开关频率可 以达到 2MHz 因此能够满足无线能量传输系统的高频要求 图 6 TPS28225 内部原理示意图 3 线圈设计 由于无线能量传输系统要求发射线圈的品质因数较大 同时有 需要克服趋肤效应问题 因此在本设计中最终采用利兹线作为绕制 发射线圈和接收线圈的材料 为系统中使用的线圈 利用直径为 0 1mm 的 120 股利兹线 围 着 10cm X14cm 的板材 绕制了不等周长的 10 圈 通过 LC 谐振实 验测得 所设计的线圈在 200k Hz 的条件下 电感值分别为发射线 圈 6 33u H 接收线圈 5 85u H 图 7 线圈 4 能量接收部分的设计 通过强磁谐振的耦合 次级线圈接收到的波形是正弦波 因此 如果将负载直接连接在接收线圈和电容两端 那么负载上接收到的 能量信号也将是正弦波 在某些情况下 比如点亮灯泡 用于电热 转换的负载等 这是可以接受的 但在大多数情况下 在接到负载 上之前 需要通过整流 能量变换等功能模块再接到负载之上 图 8 为本设计中所采用的能量接收部分设计示意图 图 8 能量接收部分设计示意图 接收线圈在接收到能量之后 首先通过全桥整流模块和滤波电 容部分整流成一个较为稳定的直流电 该直流能量信号会随着线圈 间距离 发射端电压 系统工作频率等外界因素的改变而改变 因 此在接到负载前通常需要使用 DC DC 模块进行能量变换 为了能够 实现充电功能 本系统中选择了一个升压型 DC DC 模块 但升压 DC DC 模块的输入通常有一个输入的最小值 低于这个最小值 系 统将无法正常工作 所以前级需要增加一个控制模块 确保电压达 到阈值后再开启升压模块 这个控制模块需要在电压低